JP2005172163A

JP2005172163A - 自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005172163A
Application number: JP2003415120A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Yoshida; 静男吉田; Kazuhiro Matsumura; 一弘松村
Original assignee: Hakodate Regional Industry Promotion Organization; Civil Engineering Research Institute of Hokkaido
Current assignee: Hakodate Regional Industry Promotion Organization; National Research and Development Agency Public Works Research Institute
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP4951737B2

Abstract

【課題】他のエネルギーによる駆動手段を必要とすることなく水素吸蔵合金モジュールを加熱、冷却して水素の放出、吸蔵を行なわせ、もってアクチュエータを自律的に作動させること。
【解決手段】水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュール１、２と、水素吸蔵合金モジュール１、２から水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関６と、ストローク運動により水素吸蔵合金モジュール１、２を高温領域Ｈと低温領域Ｃとに交互に移動させる間歇駆動機構５とを備えるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素貯蔵合金が加熱により水素を放出し、また冷却により吸蔵することによる圧力変化を利用してエネルギー密度の低い熱エネルギーを有効に利用するアクチュエータの改良に関する。

水素吸蔵合金は、水素と反応して金属水素化物となる合金で、水素ガス中でガス圧力を上げるか温度を下げると水素を吸蔵して発熱し、ガス圧を下げるか温度を上げると水素を放出して吸熱する性質がある。このように、水素吸蔵合金は、水素化、脱水素化の反応が実用的な条件下で好ましい反応速度で進行する優れた可逆性を有する合金で、Ｍｇ−Ｎｉ系、Ｌａ−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｍｎ系、レアメタルの混合体であるミッシュメタルやランタンを多く含むランタンリッチ、ミッシュメタルを利用した合金もある。

このような水素吸蔵合金の水素の吸蔵、放出を積極的に利用してアクチュエータを構成することが提案されている。
すなわち、特許文献１に見られるようにシリンダーに移動可能に装填されたピストンの両面にそれぞれ水素吸蔵合金モジュールを連通させ、交互に加熱、冷却して水素の放出、吸蔵を行わせることにより、ピストンを往復動させるように構成されている。
水素の放出、吸蔵を行わせるためには、低密度の熱エネルギーで十分であるものの、熱エネルギーの供給源を温水に頼る場合は、ボイラーで水を沸かして給水ポンプで供給する必要があり、また冷水に頼る場合は、熱源が不要となるものの、給水ポンプによる供給が必要となり、いずれにしても供給圧を得るための別の駆動エネルギーが必要となり自然エネルギーを利用する観点から十分満足できるものではない。
熱源に関しては自然エネルギーから熱を得るフリージスター（ペルティエ素子の改良版）など各方式は検討されているが、作られた熱を如何にして水素吸蔵合金モジュールに与えて水素吸蔵合金アクチュエータを駆動するか、また、それを冷却するための手法は未だ解決されていない。
特開平7-243409号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであってその目的とするところは、他のエネルギーに頼ることなく、自身が発生した機械的エネルギ−により、水素吸蔵合金モジュールの加熱領域と冷却領域とに交互に移動させる、もしくは加熱または冷却用の流体を水素吸蔵合金モジュールに供給することができる自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータを提供することである。

このような問題を解決するために請求項１の発明は、水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュールと、前記水素吸蔵合金モジュールから水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関と、前記ストローク運動により前記水素吸蔵合金モジュールを高温領域と低温領域とに交互に移動させる間歇駆動機構とを備えるように構成されている。
また請求項２の発明は、水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュールと、前記水素吸蔵合金モジュールの前記水素貯蔵合金に熱伝達可能に配置された流路手段と、前記水素吸蔵合金モジュールから水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関と、前記ストローク運動に基づいて前記流路手段に高温流体と低温流体を交互に供給する汲み上げ機構とを備えるように構成されている。

請求項１の発明によれば、往復動機関で発生した機械的エネルギの一部を利用して水素吸蔵合金モジュールを、低温領域と高温領域とに交互に移動させることができ、また請求項２の発明によれば、水素吸蔵合金モジュールを収容したタンクに往復動機関で発生した機械的エネルギの一部を利用して汲み上げ機構により高温流体、及び低温流体を交互に供給できるため、水素吸蔵合金モジュールの加熱、冷却のために他のエネルギが不要とすることができる。

そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの基本概念を示す図であって、２つの水素吸蔵合金モジュール１、２は、それぞれ高温領域Ｈと低温領域Ｃとに配置され、ロッド３、４を介して間歇駆動機構５に接続されるとともに往復動機関６に連通されている。なお、図中符号７は往復動機関６のストローク軸を、また符合８は外部出力軸をそれぞれ示す。

このような構造により、一方の水素吸蔵合金モジュール１が高温領域Ｈに、また他方の水素吸蔵合金モジュール２が低温領域Ｃに位置している状態では、水素吸蔵合金モジュール１から往復動機関に水素が放出され、また水素吸蔵合金モジュール２が往復動機関６から水素を吸引（吸収）する。

これにより、ストローク軸７は矢印Ａの方向に移動し、また出力軸８から回転出力を引き出すことが可能となる。所定時間が経過すると間歇駆動機構５が作動して、一方の水素吸蔵合金モジュール１が低温領域Ｃに、また他方の水素吸蔵合金モジュール２が高温領域Ｈに移動する。これにより、往復動機関６はそのストローク軸７を矢印Ｂの方向に移動させる。低温領域Ｃに位置する水素吸蔵合金モジュール１’は、水素を吸引し、また高温領域に位置する水素吸蔵合金モジュール２’は水素を放出する。
そして、ストローク軸７が所定量変位した時点で後述する間歇駆動機構５のロッド３、４が作動して水素吸蔵合金モジュール１’、２’をそれぞれ高温領域Ｈ、低温領域Ｃに移動させる。

以下、高温領域、及び低温領域が所定の温度に維持されている限り、上述の工程を繰り返して回転エネルギ−を発生する。すなわち、水素吸蔵合金の駆動力で水素吸蔵合金モジュールを温熱源から冷熱源に、または冷熱源から温熱源に移動させて自律的に駆動することができる。

なお、上述の実施例においては、アクチュエータを１ユニットとして構成しているが、図２に示したように必要とする出力に応じて複数、この実施例では３つのユニットを共通の出力軸８’に接続することもできる。

高温熱源溜まり(高温水槽)と低温熱源溜まり(低温水槽)を用意すれば、水素吸蔵合金アクチュエータが駆動できる。
したがって、たとえば熱源を温泉水とする場合には高温水容器へに温泉水を直接供給すれば良く、またフリージスターやヒートパイプなどの熱伝導手段を用いる場合は、直接あるいは間接的に高温水容器を加熱すればよい。

温水ソーラーパネルにより得られた温水についても同様に、単に高温水容器に温水を導けば良く、工場などからの廃熱があるのであれば、廃熱パイプを当該高温水容器に通すことで高温領域を作ることができる。このとき、適当な位置に設置した水容器を用いることになるので、熱量の設定や保温(あるいは保冷)の対策も容易である。

次に、本発明の要部となる水素吸蔵合金モジュールを高温領域と低温領域とに周期的に交互に移動させる前述の間歇駆動機構５、及び往復動機関６と出力軸８との関係について、図３、図４、及び図５に基づいて説明する。なお、図５はクラッチ１４を省略して示すものである。
図３は、間歇駆動機構の一実施例を示すものであって、往復動機関６のストローク軸７には、ストローク長以上の長さのラックギア１０が接続されている。このラックギア１０は、紙面に対して垂直な方向に移動可能で、出力軸８に一方向クラッチ１１を介して設けられた平歯車１２に噛み合っている。
これらの機構により、ストローク軸７の往復動を出力軸８の回転運動に変換する機構が構成されている。

平歯車１２は、歯車１３にかみ合い、クラッチ１４を介して平歯車１５に回転を伝達可能となっている。

また、出力軸８には平歯車１６が固定されていて、歯車１７、１８、及び１９により順次減速されて、歯車１９に設けられたカム２０を回動させるようになっている。カム２０と対向する位置には、クラッチ１４のドッグ２１が突出していて、カム２０が所定位置に回動した時点でドッグ２１に当接して歯車１３とともにクラッチ１４を噛み合い方向（図中右方向）に移動させる。
すなわち、往復動機関６が１ストローク、つまり上死点から下死点まで移動したとき、歯車１９が１回転するように、歯車１６〜１９の減速比が設定されている。

クラッチ１４が噛み合った状態では、歯車１５に設けられたピン２２が歯車１０、１３を介して出力軸８により回動する。また歯車１５には歯車２３を介してピン２４が設けられた歯車２５が噛み合っており、さらに歯車２６を介してピン２７が設けられた歯車２８が噛み合っている。この歯車２８には、歯車２９を介してピン３０が設けられた歯車３１が噛み合っている。

このような構成により、カム２０が一回転してその凸部２０ａがドッグ２１を押圧すると、出力軸８の回転が歯車１３、クラッチ１４を介して歯車１５、２５、さらには歯車２６を介して歯車２８，３１に伝達され、ピン２２、２４、２７、３０が揺動する。ピン２２、２４には、ロッド３が、またピン２７、３０にはロッド４が係合している。

ドッグ２１に押されてクラッチ１４が係合すると（図４）、一方の水素吸蔵合金モジュール１は、図６の（I）乃至（III）に示したように高温領域Ｈから水平運動を伴いながら引き上げられ、ついで低温領域Ｃに降下する。

また他方の水素吸蔵合金モジュール２は、図７の（I）乃至（III）に示したように、低温領域Ｃから水平運動を伴いながら引き上げられ、ついで高温領域ＨＣに降下する。

以下、このような運動を往復動機関のストロークに同期して実行する。したがって、高温領域、及び低温領域の温度がそれぞれ所定の温度に維持されている限り、アクチュエータは、これらの熱源だけで作動することが可能となる。なお、上述の実施例では往復動機関６の１ストロークにより水素合金モジュール１、２を異なる領域に移動させているが、歯車などによる伝達機構の減速比を適宜変更することにより、１ストローク以上をかけて水素合金モジュール１、２を異なる領域に移動できることは明らかである。

なお、上述の実施例においては、往復動機関のストローク量に合わせて水素吸蔵合金モジュールを移動させるための間歇駆動機構を歯車により構成しているが、ゼネバカムやレバー機構からなる周知の間歇駆動機構を使用しても同様の作用を奏する。

ところで、水素吸蔵合金モジュールと往復動機関とは耐圧ホース等の高圧流路構成手段により接続する必要が、水素吸蔵合金モジュールを上下方向、及び水平方向に移動可能とするためには、高圧流路構成手段に可撓性を持たせる必要があり、高圧流路構成手段の構造が複雑化するという問題がある。

図８は、このような問題を解決した実施例を示すものであって、図中符号１０は、往復動機関６に接続された前述のラックギア１０で、これには往復動を回転運動に変換する歯車４０、４１が噛み合っていて軸４２、４３を回転駆動させるようになっている。

軸４２、４３の一端にはピン４４、４５を備えた回転部材４６、４７が、他端にも図示しないピンを備えた回転部材４８、４９が設けられ、これらのピン４４、４５には回転を往復動に変換するカムフォロアー５０〜５３が接続されている。これらカムフォロアー５０〜５３にはロッド、またはロープなどの連結部材５４〜５７により水槽６２、６３に位置するバケット５８〜６１が吊り下げられている。

また、それぞれの軸４２、４３により駆動されるバケット５８とバケット６０、及びバケット５９とバケット６１は、１８０度の位相差で上下動するように回転部材４６〜４９のピンの位置が設定されている。

これらバケット５８〜６１の底部には、水素吸蔵合金モジュールの外周を包囲するタンク６２、６３の上部に接続する流路６４〜６７が他端が開口している。なお、バケット５８〜６１に接続される流路は、バケット５８〜６１の移動に追従できるようにフレキシブルな材料で構成されている。
また、タンク８０、８１の底部には水槽６２、６３への帰還路を構成する流路６８〜７１が接続されている。

なお、図中符号７２、７３、７２’、７３’は、それぞれタンク８０、８１に内蔵されている水素吸蔵合金モジュールと往復動機関とを接続する流路を示す。

この実施例によれば、回転部材４６〜４９の回転速度を、往復動機関６の１ストロークの間に少なくとも１回転させることにより、水槽６２と水槽６３の流体がバケット５８、６１より汲み上げられてタンク８０とタンク８１のそれぞれにサイフォン現象で流れ込み、タンク８０、８１に収容されていた流体が水槽６３、６２に戻る。

回転部材４６〜４９が１／２回転すると、今度は逆に水槽６２と水槽６３の流体がバケット５９、６０より汲み上げられてタンク８１とタンク８０のそれぞれにサイフォン現象で流れ込み、タンク８０、８１に収容されていた流体が水槽６２、６３に戻る。

このように往復動機関６のストロークにより温水、及び冷水を吸蔵する水槽６２、６３の水を水素吸蔵合金モジュールを収容したタンク８０、８１に交互に供給できるため、タンク８０、８１に収容されている水素吸蔵合金モジュールから水素の放出と、吸収を交互に行なわて、往復動機関６を自立的に作動させることができる。

この実施例によれば、高温、低温の流体を収容した水槽６２、６３の流体をバケット５８〜６１、回転部材４６〜４９、カムフォロア５１〜５３などで構成された汲み上げ機構により、水素吸蔵合金モジュールを収容したタンク８０、８１に独立した流路により交互に供給するため、低温水と高温水が交じり合うことが無く、効率の向上が期待できる。

上述の実施例では往復動機関６の１ストロークによりタンク８１、８２の液体を交換するようにしているが、歯車などによる伝達機構の減速比を適宜変更することにより、１ストローク以上をかけてタンク８１、８２の液体を交換できることは明らかである。

さらに、上述の実施例においては水素貯蔵合金モジュールの周囲に、流体を交換可能に収容するタンク８０、８１を設けて流路手段を構成しているが、水素貯蔵合金モジュール内にパイプを水素貯蔵合金に接触するように蛇行させて収容して流路手段を構成すると、パイプを介して水素貯蔵合金を加熱、冷却することができる。

本発明の自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータの構成を概念的に示す図である。自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータを複数、接続した状態を示す図である。間歇駆動機構の一実施例を、クラッチが係合していない状態で示す図である。間歇駆動機構の一実施例を、クラッチが係合した状態で示す図である。水素吸蔵合金モジュールを移動させる機構の概略を示す概念図である。間歇駆動機構により水素吸蔵合金モジュールを高温領域から低温領域に移動させる工程を示す図である。間歇駆動機構により水素吸蔵合金モジュールを低温領域から高温領域に移動させる工程を示す図である。水素吸蔵合金モジュールをタンクに収容し、タンクに高温、及び低温の流体を供給して駆動する本発明の他の実施例を示す図である。

符号の説明

１、２水素吸蔵合金モジュール、Ｈ高温領域、Ｃ低温領域、３、４ロッド、５間歇駆動機構、６往復動機関、７ストローク軸、８外部出力軸、１０ラックギア、１１クラッチ、２１ドッグ、２２、２４、２７、３０ピン、５０〜６１カムフォロアー、５４〜５７連結部材、６２、６３水槽、５８〜６１バケット、８０、８１水素吸蔵合金モジュールを収容したタンク

Claims

水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュールと、前記水素吸蔵合金モジュールから水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関と、前記ストローク運動により前記水素吸蔵合金モジュールを高温領域と低温領域とに交互に移動させる間歇駆動機構とを備えた自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータ。
水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュールと、前記水素吸蔵合金モジュールの前記水素貯蔵合金に熱伝達可能に配置された流路手段と、前記水素吸蔵合金モジュールから水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関と、前記ストローク運動に基づいて前記流路手段に高温流体と低温流体を交互に供給する汲み上げ機構とを備えた自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータ。
前記流路手段が、前記水素合金モジュールを収容するタンクに構成されている請求項２に記載の自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータ。
前記流路手段が、前記水素合金モジュールに収容されたパイプにより構成されている請求項２に記載の自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータ。